CN107354356B - 一种砂型铸造镁合金及其制备方法 - Google Patents

一种砂型铸造镁合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种砂型铸造镁合金，成分为：4～5wt％的Sm；0.5～3wt％的Nd；0.2～0.5wt％的Yb；0.5～0.8wt％的Zn；0.4～0.6wt％的Zr；余量为Mg及不可避免的杂质。本发明中轻稀土Sm、Nd能够起到细晶强化、固溶强化和沉淀析出第二相强化的作用；而且Sm与Nd与Mg能够形成热稳定性良好的第二相，第二相在高温时能有效阻碍位错运动和晶界滑移，有效提升合金抗高温蠕变性能。本发明在砂型铸造镁合金中添加微量原子半径较大的Yb元素，能够降低层错能，促进孪晶，产生强大的固溶强化效果；本发明在Sm、Nd和Yb的综合作用下，能够获得综合力学性能良好的砂型铸造镁合金。

Description

一种砂型铸造镁合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及镁合金技术领域，尤其涉及一种砂型铸造镁合金及其制备方法。
背景技术
镁合金作为目前最轻的结构材料，具有高的比强度、比刚度，良好的切削加工性能、电磁防护特性、阻尼性能及导热性，而且易回收。在目前铁矿、钛矿和铝矿资源紧张的情况下，开发和利用镁资源作为替代材料已成为必然趋势。因此，镁合金被誉为“21世纪商用绿色环保和生态金属结构材料”，正在汽车工业、电子通讯、航空航天和军事工业等领域得到广泛的应用。
砂型铸造作为最早开发的生产工艺之一，相对目前的压铸工艺来说，虽然生产效率低，但是却无法替代，对于大型复杂结构件的生产，砂型铸造是一种相对低成本且易实现的生产工艺。在航空航天和汽车工业的镁合金构件由于结构复杂、尺寸大而采用砂型铸造，如：壳体、缸盖、箱体等。但是砂型铸造由于冷却速度很慢，晶粒粗化比较严重，并且凝固过程中热裂倾向较大、易产生缩孔等缺陷，导致力学性能偏低，很难满足结构件的力学性能要求。
因此，如何提高砂型铸造镁合金的性能尤其是抗高温蠕变性能成为本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种砂型铸造镁合金及其制备方法，本发明提供的砂型铸造镁合金具有良好的抗高温蠕变性。
本发明提供了一种砂型铸造镁合金，成分为：
4～5wt％的Sm；
0.5～3wt％的Nd；
0.2～0.5wt％的Yb；
0.5～0.8wt％的Zn；
0.4～0.6wt％的Zr；
余量为Mg及不可避免的杂质。
优选的，所述砂型铸造镁合金的成分为：
4.2～4.8wt％的Sm；
1～2.5wt％的Nd；
0.3～0.4wt％的Yb；
0.6～0.7wt％的Zn；
0.45～0.55wt％的Zr；
余量为Mg及不可避免的杂质。
本发明提供了一种上述技术方案所述的砂型铸造镁合金的制备方法，包括：
将镁源、锌源、钐源、钕源、镱源和锆源混合、熔炼，得到合金液；
将合金液浇铸到砂型模具中，得到砂型铸造镁合金。
优选的，所述混合之前还包括：
将镁源、锌源、钐源、钕源、镱源和锆源预热；
所述预热的温度为200～300℃。
优选的，所述混合的方法为：
先加入镁源；
待镁源熔化后，依次加入锌源、钐源、钕源和镱源；
最后加入锆源，得到金属液。
优选的，所述镁源的加入温度为500～600℃。
优选的，在保护性气体的存在下加入镁源；
所述保护性气体包括SF6和CO2。
优选的，所述锌源、钐源、钕源和镱源的加入温度为730～740℃。
优选的，所述锆源的加入温度为760～780℃。
优选的，所述浇铸之前还包括：
将砂型模具预热；
所述预热的温度为200～250℃。
与现有技术相比，本发明提供的砂型铸造镁合金以轻稀土Sm、Nd为主要合金元素，Sm和Nd一方面能够提高过冷度，起到细化晶粒的作用，另一方面，Sm和Nd在Mg中具有相对较大的固溶度，能够起到良好的固溶强化的效果；而且Sm、Nd和Mg还能够形成Mg41Sm5、Mg12Nd等热稳定性良好的第二相，能够起到第二相强化效果；此外，这些热稳定性良好的第二相在高温时能够有效阻碍位错运动和晶界滑移，有效提高抗高温蠕变性能。而且，本发明添加半径较大的Yb，能够降低层错能、促进孪生，产生较强的固溶强化效果。本发明提供的砂型铸造镁合金在Sm、Nd和Yb的综合作用下，具有良好的综合力学性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例4制备得到的砂型铸造镁合金铸态组织图；
图2为本发明实施例4制备得到的砂型铸造镁合金蠕变组织的SEM图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种砂型铸造镁合金，成分为：
4～5wt％的Sm；
0.5～3wt％的Nd；
0.2～0.5wt％的Yb；
0.5～0.8wt％的Zn；
0.4～0.6wt％的Zr；
余量为Mg及不可避免的杂质。
本发明提供的砂型铸造镁合金以轻稀土Sm、Nd为主要合金元素，能够起到细晶强化、固溶强化和沉淀析出第二相强化的作用；而且Sm与Nd与Mg能够形成Mg41Sm5、Mg12Nd等热稳定性良好的第二相，第二相在高温时能有效阻碍位错运动和晶界滑移，有效提升合金抗高温蠕变性能。本发明在砂型铸造镁合金中添加微量原子半径较大的Yb元素，能够降低层错能，促进孪晶，产生强大的固溶强化效果；本发明在Sm、Nd和Yb的综合作用下，能够获得综合力学性能良好的砂型铸造镁合金。
在本发明中，所述Sm在砂型铸造镁合金中的质量含量优选为4.2～4.8％，更优选为4.4～4.6％，最优选为4％或4.5％。在本发明中，所述Nd在砂型铸造镁合金中的质量含量优选为1～2.5％，更优选为1.5～2.5％，最优选为2.5％。在本发明中，所述Yb在砂型铸造镁合金中的质量含量优选为0.3～0.4％，更优选为0.35％或0.5％。在本发明中，所述Zn在砂型铸造镁合金中的质量含量优选为0.6～0.7％，更优选为0.75％或0.6％。在本发明中，所述Zn能够细化晶粒、改善组织。在本发明中，所述Zr在砂型铸造镁合金中的质量含量优选为0.45～0.55％，更优选为0.5％或0.4％。
本发明提供的砂型铸造镁合金中除Sm、Nd、Yb、Zn和Zr外，剩余的成分为Mg和不可避免的杂质。在本发明中，所述杂质可以为Fe、Cu、Si和Ni中的一种或几种。在本发明中，所述砂型铸造镁合金中Fe的质量含量优选≤0.005％；Cu的质量含量优选≤0.0005％；Si的质量含量优选≤0.005％；Ni的质量含量优选≤0.0005％。
本发明提供了一种上述技术方案所述的砂型铸造镁合金的制备方法，包括：
将镁源、锌源、钐源、钕源、镱源和锆源混合、熔炼，得到合金液；
将所述合金液浇铸到砂型模具中，得到砂型铸造镁合金。
本发明在混合之前优选将镁源、锌源、钐源、钕源、镱源和锆源去掉氧化皮后预热；所述预热的温度优选为200～300℃，更优选为220～280℃，最优选为240～260℃。
在本发明中，所述混合的方法优选为：
先加入镁源；
待镁源熔化后，依次加入锌源、钐源、钕源和镱源；
然后升温后加入锆源，得到金属液。
本发明优选将坩埚加热至500～600℃加入镁源，更优选为520～580℃，更优选为540～560℃，最优选为550℃。本发明优选在通入保护性气体的条件下加入镁源，防止氧化。在本发明中，所述保护性气优选包括SF6和CO2；所述SF6和CO2的体积比优选为1:(180～220)，更优选为1:(190～210)，最优选为1:200。
本发明优选在730～740℃加入锌源、钐源、钕源和镱源。
本发明优选待锌源、钐源、钕源和镱源熔化后撇去表面浮渣搅拌后升温。在本发明中，所述搅拌的时间优选为10～20min，更优选为12～18min，最优选为14～16min。在本发明中，所述升温的温度优选为760～780℃，更优选为770℃。
在本发明中，所述熔炼的方法优选为：
将金属液和熔剂混合后保温，然后降温通入氩气；
通气完毕后，加入熔剂后静置，得到合金液。
在本发明中，所述保温的温度优选为760～780℃，更优选为770℃；所述保温的时间优选为5～15min，更优选为8～12min，最优选为10min。
在本发明中，所述降温的温度优选为740～755℃，更优选为745～750℃。
在本发明中，所述氩气优选为高纯氩气。
在本发明中通入氩气的气流速度适当，以液体不飞溅为准；通入氩气的时间优选为25～35秒，更优选为30秒。
在本发明中，所述熔剂优选为6号熔剂；所述熔剂的加入量优选为金属液质量的1～1.5％，更优选为1.2～1.3％。本发明优选采用边搅拌边加入的方式加入熔剂。在本发明中，所述熔剂的成分优选为：
54～56wt％的KCl；
14～16wt％的BaCl2；
1.5～2.5wt％的NaCl；
27～29wt％的CaCl2。
本发明优选在熔剂充分融入金属液后进行静置；所述静置的时间优选为50～60min，更优选为55min。
本发明优选将合金液降温至720～740℃，撇去表面浮渣后浇铸到砂型模具中。
本发明在浇铸之前优选将砂型模具预热；所述预热的温度优选为200～250℃，更优选为220～230℃。
本发明对所述镁源的种类和来源没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的镁锭即可，可由市场购买获得。本发明对所述锌源的种类和来源没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的锌锭即可，可由市场购买获得。在本发明中，所述钐源优选为钐质量含量为20％的镁钐中间合金，可由市场购买获得。在本发明中，所述钕源优选为钕质量含量为10％的镁钕中间合金，可由市场购买获得。在本发明中，所述镱源优选为镱质量含量为15％的镁镱中间合金，可由市场购买获得。在本发明中，所述锆源优选为锆质量含量为30％的镁锆中间合金，可由市场购买获得。
在本发明中，所述镁源、锌源、钐源、镱源、钕源和锆源的用量使得到的砂型铸造镁合金的成分满足上述技术方案所述的成分即可。
本发明提供的砂型铸造镁合金以轻稀土Sm、Nd为主要合金元素，Sm和Nd一方面能够提高过冷度，起到细化晶粒的作用，另一方面，Sm和Nd在Mg中具有相对较大的固溶度，能够起到良好的固溶强化的效果；而且Sm、Nd和Mg还能够形成Mg41Sm5、Mg12Nd等热稳定性良好的第二相，能够起到第二相强化效果；此外，这些热稳定性良好的第二相在高温时能够有效阻碍位错运动和晶界滑移，有效提高抗高温蠕变性能。而且，本发明添加半径较大的Yb，能够降低层错能、促进孪生，产生较强的固溶强化效果。本发明提供的砂型铸造镁合金在Sm、Nd和Yb的综合作用下，具有良好的综合力学性能。
实验结果表明，本发明提供的砂型铸造镁合金在200℃施加应力为100MPa的条件下，稳态蠕变速率为9.25×10-8s-1；100小时的蠕变应变为0.45％，蠕变寿命＞100小时；在225℃施加应力100MPa条件下，稳定蠕变速率为9.25×10-8s-1，100小时蠕变应变为3.34％，蠕变寿命＞100小时。本发明提供的砂型铸造镁合金可用于服役温度在200～225℃的工程结构件。
本发明以下实施例所用原料均为市售商品，所用的钐源为钐质量含量为20％的镁钐中间合金；钕源为钕质量含量为10％的镁钕中间合金；镱源为镱质量含量为15％的镁镱中间合金；锆源为锆质量含量为30％的镁锆中间合金；所用的6号熔剂的成分为：KCl：55wt％，BaCl2：15wt％，NaCl：2wt％，CaCl2：28wt％。
实施例1
将镁锭、锌锭、钐源、钕源、镱源和锆源去掉氧化层按照成分配比备料，将其预热至200℃。
将坩埚加热至550℃，加入镁锭且通入保护气体，防止氧化；所述保护气体为体积比为1:200的SF6和CO2的混合气。待镁熔化后，在730℃依次加入锌锭、钐源、钕源和镱源；待其熔化后，撇去表面浮渣，搅拌10min；然后升温至760℃，加入锆源，待其熔化后加入6号熔剂保温10min，得到金属液。
将金属液降温至750℃，通入高纯氩气，气流速度适当，以液体不飞溅为准，通气30s。通气完毕后，加入6号熔剂，加入量为金属液质量的1％，采用边加边搅拌的方式，待熔剂充分融入金属液后静置50min，得到合金液。
将合金液降温至720℃，撇去表面浮渣，浇铸到砂型模具中，得到砂型铸造镁合金；浇铸之前将砂型模具预热至230℃。
本发明实施例1制备得到的砂型铸造镁合金的成分为：4wt％的Sm、0.5wt％的Nd、0.2wt％的Yb、0.5wt％的Zn、0.4wt％的Zr，余量为Mg及不可避免的杂质。
按照GB/T2039-2012《金属材料单轴拉伸蠕变试验方法》的标准对本发明实施例1制备得到的砂型铸造镁合金进行高温蠕变性能测试，检测结果如表1所示，表1为本发明实施例和比较例制得的砂型铸造镁合金高温蠕变性。
实施例2
将镁锭、锌锭、钐源、钕源、镱源和锆源去掉氧化层按照成分配比备料，将其预热至250℃。
将坩埚加热至550℃，加入镁锭且通入保护气体，防止氧化；所述保护气体为体积比为1:200的SF6和CO2的混合气。待镁熔化后，在740℃依次加入锌锭、钐源、钕源和镱源；待其熔化后，撇去表面浮渣，搅拌15min；然后升温至760℃，加入锆源，待其熔化后加入6号熔剂保温10min，得到金属液。
将金属液降温至750℃，通入高纯氩气，气流速度适当，以液体不飞溅为准，通气30s。通气完毕后，加入6号熔剂，加入量为金属液质量的1％，采用边加边搅拌的方式，待熔剂充分融入金属液后静置50min，得到合金液。
将合金液降温至730℃，撇去表面浮渣，浇铸到砂型模具中，得到砂型铸造镁合金；浇铸之前将砂型模具预热至230℃。
本发明实施例2制备得到的砂型铸造镁合金的成分为：4wt％的Sm、1.0wt％的Nd、0.3wt％的Yb、0.6wt％的Zn、0.4wt％的Zr，余量为Mg及不可避免的杂质。
按照实施例1的方法对本发明实施例2制备得到的砂型铸造镁合金进行高温蠕变性能测试，检测结果如表1所示。
实施例3
将镁锭、锌锭、钐源、钕源、镱源和锆源去掉氧化层按照成分配比备料，将其预热至300℃。
将坩埚加热至550℃，加入镁锭且通入保护气体，防止氧化；所述保护气体为体积比为1:200的SF6和CO2的混合气。待镁熔化后，在740℃依次加入锌锭、钐源、钕源和镱源；待其熔化后，撇去表面浮渣，搅拌20min；然后升温至760℃，加入锆源，待其熔化后加入6号熔剂保温10min，得到金属液。
将金属液降温至750℃，通入高纯氩气，气流速度适当，以液体不飞溅为准，通气30s。通气完毕后，加入6号熔剂，加入量为金属液质量的1％，采用边加边搅拌的方式，待熔剂充分融入金属液后静置60min，得到合金液。
将合金液降温至740℃，撇去表面浮渣，浇铸到砂型模具中，得到砂型铸造镁合金；浇铸之前将砂型模具预热至230℃。
本发明实施例3制备得到的砂型铸造镁合金的成分为：4.5wt％的Sm、2.0wt％的Nd、0.4wt％的Yb、0.7wt％的Zn、0.5wt％的Zr，余量为Mg及不可避免的杂质。
按照实施例1的方法对本发明实施例3制备得到的砂型铸造镁合金进行高温蠕变性能测试，检测结果如表1所示。
实施例4
将镁锭、锌锭、钐源、钕源、镱源和锆源去掉氧化层按照成分配比备料，将其预热至250℃。
将坩埚加热至550℃，加入镁锭且通入保护气体，放置氧化；所述保护气体为体积比为1:200的SF6和CO2的混合气。待镁熔化后，在740℃依次加入锌锭、钐源、钕源和镱源；待其熔化后，撇去表面浮渣，搅拌20min；然后升温至760℃，加入锆源，待其熔化后加入6号熔剂保温10min，得到金属液。
将金属液降温至750℃，通入高纯氩气，气流速度适当，以液体不飞溅为准，通气30s。通气完毕后，加入6号熔剂，加入量为金属液质量的1.5％，采用边加边搅拌的方式，待熔剂充分融入金属液后静置50min，得到合金液。
将合金液降温至730℃，撇去表面浮渣，浇铸到砂型模具中，得到砂型铸造镁合金；浇铸之前将砂型模具预热至230℃。
本发明实施例4制备得到的砂型铸造镁合金的成分为：5.0wt％的Sm、3.0wt％的Nd、0.5wt％的Yb、0.8wt％的Zn、0.6wt％的Zr，余量为Mg及不可避免的杂质。
按照GB/T13298-2015《金属显微组织检验方法》的标准，对本发明实施例4制备得到的砂型铸造镁合金进行组织检测，检测结果如图1所示，图1为本发明实施例4制备得到的砂型铸造镁合金铸态组织图，由图1可知，本发明实施例4制备得到的砂型铸造镁合金组织比较均匀，平均粒度为50～60微米。
将本发明实施例4制备得到的砂型铸造镁合金在225℃施加应力100MPa，100小时后观察其蠕变组织，检测结果如图2所示，图2为本发明实施例4制备得到的砂型铸造镁合金蠕变组织的SEM图，由图2可知看出，蠕变裂纹源主要在晶界第二相和三相处萌生，在力的作用下三相晶界处易形成孔洞，从而导致蠕变断裂。
按照实施例1的方法对本发明实施例4制备得到的砂型铸造镁合金进行高温蠕变性能测试，检测结果如表1所示。
比较例1
按照实施例4的方法制备得到砂型铸造镁合金，与实施例4不同的是，得到的砂型铸造镁合金的成分为：
8.5wt％的Sm、0.8wt％的Zn、0.6wt％的Zr，余量为Mg及不可避免的杂质。
按照实施例1的方法对本发明比较例1制备得到的砂型铸造镁合金进行高温蠕变性能测试，检测结果如表1所示。
比较例2
按照实施例4的方法制备得到砂型铸造镁合金，与实施例4不同的是，得到的砂型铸造镁合金的成分为：
8.5wt％的Nd、0.8wt％的Zn、0.6wt％的Zr，余量为Mg及不可避免的杂质。
按照实施例1的方法对本发明比较例2制备得到的砂型铸造镁合金进行高温蠕变性能测试，检测结果如表1所示。
比较例3
按照实施例4的方法制备得到砂型铸造镁合金，与实施例4不同的是，得到的砂型铸造镁合金的成分为：
8.5wt％的Yb、0.8wt％的Zn、0.6wt％的Zr，余量为Mg及不可避免的杂质。
按照实施例1的方法对本发明比较例3制备得到的砂型铸造镁合金进行高温蠕变性能测试，检测结果如表1所示。
表1本发明实施例和比较例制得的砂型铸造镁合金高温蠕变性
由以上实施例可知，本发明提供了一种砂型铸造镁合金，成分为：4～5wt％的Sm；0.5～3wt％的Nd；0.2～0.5wt％的Yb；0.5～0.8wt％的Zn；0.4～0.6wt％的Zr；余量为Mg及不可避免的杂质。本发明中轻稀土Sm、Nd能够起到细晶强化、固溶强化和沉淀析出第二相强化的作用；而且Sm与Nd与Mg能够形成热稳定性良好的第二相，第二相在高温时能有效阻碍位错运动和晶界滑移，有效提升合金抗高温蠕变性能。本发明在砂型铸造镁合金中添加微量原子半径较大的Yb元素，能够降低层错能，促进孪晶，产生强大的固溶强化效果；本发明在Sm、Nd和Yb的综合作用下，能够获得综合力学性能良好的砂型铸造镁合金。

Claims (1)

1.一种砂型铸造镁合金的制备方法，具体为：
将镁锭、锌锭、钐源、钕源、镱源和锆源去掉氧化层按照成分配比备料，将其预热至250℃；
将坩埚加热至550℃，加入镁锭且通入保护气体，防止氧化；所述保护气体为体积比为1:200的SF6和CO2的混合气；待镁熔化后，在740℃依次加入锌锭、钐源、钕源和镱源；待其熔化后，撇去表面浮渣，搅拌20min；然后升温至760℃，加入锆源，待其熔化后加入6号熔剂保温10min，得到金属液；所述6号熔剂的成分为：KCl：55wt%，BaCl2：15wt%，NaCl：2wt%，CaCl2：28wt%；
将金属液降温至750℃，通入高纯氩气，气流速度适当，以液体不飞溅为准，通气30s；通气完毕后，加入6号熔剂，加入量为金属液质量的1.5%，采用边加边搅拌的方式，待熔剂充分融入金属液后静置50min，得到合金液；
将合金液降温至730℃，撇去表面浮渣，浇铸到砂型模具中，得到砂型铸造镁合金；浇铸之前将砂型模具预热至230℃；
所述砂型铸造镁合金的成分为：5.0wt%的Sm、3.0wt%的Nd、0.5wt%的Yb、0.8wt%的Zn、0.6wt%的Zr，余量为Mg及不可避免的杂质。
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